灌浆期遮光对不同粒色小麦籽粒花青素积累与相关酶活性的影响

为探讨光照条件对不同粒色小麦籽粒花青素合成与积累的影响, 以红粒小麦品种(系) D4红、红5、黑小麦76, 黑粒小麦品系D4黑、昌邑黑麦, 以及普通小麦济麦19 (白粒)为材料, 研究穗部遮光对不同粒色小麦籽粒发育过程中花青素积累及相关酶活性的影响。全灌浆期穗部遮光或后期遮光对籽粒花青素含量的影响显著大于前期遮光, 说明籽粒灌浆后期是花青素合成的关键时期。穗部遮光对D4红、红5及黑小麦76籽粒花青素含量的影响显著大于黑粒小麦昌邑黑麦与D4黑。3个红粒品种(系)全灌浆期遮光后籽粒花青素含量不足1 U g^-1, 与白粒品种类似, 而前期遮光后期恢复光照后籽粒花青素迅速合成。与未遮光的对照比较, 遮光对2个黑粒小麦品系花青素含量影响虽达显著水平, 但遮光后黑粒品系花青素含量仍在2 U g^-1以上。说明黑粒与红粒小麦籽粒花青素的合成途径不同。红粒小麦的花青素合成可能是一种依赖光的合成途径, 而黑粒小麦中可能是依光型和非依光型两种合成途径, 且后者是其主要途径。有色小麦籽粒的苯丙氨酸解氨酶(PAL)和查尔酮异构酶(CHI)活性变化趋势是灌浆前期低, 中后期高, 而多酚氧化酶(PPO)活性则呈前期高, 中后期低的变化趋势。未遮光处理的有色小麦, 其不同时期籽粒花青素含量与PAL和CHI活性变化趋于一致, 且呈显著正相关, 表明CHI与PAL是有色小麦籽粒花青素合成的关键酶。黑粒小麦的花青素含量与PPO活性呈显著负相关, 而红粒的相关性不显著。遮光后籽粒的花青素含量变化与酶活性变化趋势不一致, 说明光照条件对籽粒花青素合成的影响并非直接通过3种酶活性的变化而起作用。     

甜瓜CmMYBL基因调控类黄酮合成的功能分析

MYB类转录因子对植物的次生代谢具有重要的调控作用,广泛地参与了类黄酮代谢途径,在植物果实品质调控及抗病性中发挥作用。本研究以甜瓜品种河套蜜瓜(Cucumis melo L. cv Hetao)为试材,对转录组数据中甜瓜果实成熟期高表达的CmMYBL (v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog like gene)(MELONOMICS登录号:MELO3C003633)基因进行了克隆。利用实时荧光定量PCR技术对其在甜瓜果实发育成熟中的表达模式进行了分析,同时构建了基因的超表达及RNAi表达载体,利用子房注射法转化了甜瓜,经PCR及RT-qPCR方法检测,已经分别获得了2个转基因甜瓜株系。定量分析结果显示,该基因随着果实的成熟其表达量逐渐增加,在成熟时达到最大。对T2代转基因果实中类黄酮合成相关基因分析显示,超表达果实中查尔酮合成酶基因CmCHS (Chalcone synthase)、查尔酮异构酶基因CmCHI (Chalcone isomerase)和黄烷酮-3-羟基转移酶基因CmF3H (Flavanone-3-hydroxyltransferase)的表达量显著高于对照果实,而RNAi果实中CmCHS和CmCHI的表达量显著低于对照果实,CmF3H的表达量略低于对照果实。类黄酮含量分析显示,超表达CmMYBL基因的甜瓜果实中类黄酮含量显著增加,而RNAi果实的类黄酮含量相对较低。本研究初步鉴定出CmMYBL基因对甜瓜类黄酮的合成具有促进作用,为甜瓜类黄酮合成调控的研究提供了理论基础,同时为提高甜瓜果实品质的基因工程提供候选基因。     

小麦籽粒颜色与抗氧化作用

以抗活性氧活力单位、抗超氧阴离子活力单位和总抗氧化活力单位为指标，研究了白、红、紫、深紫、紫黑、蓝等不同颜色小麦籽粒的抗氧化能力，并分析了其与色素、黄酮等抗氧化物质含量和抗氧化酶活性之间的关系。结果表明，小麦籽粒颜色与其抗氧化活性之间存在着非常密切的关系，蓝、紫黑、深紫、紫等黑粒小麦籽粒的抗氧化能力高于白粒和红粒小麦。黑粒小麦的总黄酮、氨基酸、Vc、类胡萝卜素等抗氧化物质含量和SOD等抗氧化酶活性高于普通白粒和红粒小麦；并且籽粒色素含量、总黄酮含量、总氨基酸含量以及SOD活性与3个抗氧化能力指标显著或极显著正相关，Vc和类胡萝卜素含量与3个抗氧化指标之一或之二显著或极显著正相关，说明色素、黄酮、SOD、Vc和氨基酸等是蓝、紫黑、深紫、紫等黑粒小麦的抗氧化能力强于白粒和红粒小麦的主要物质基础。     

红麻HcKAN4基因克隆、表达及在类黄酮合成中的功能

MYB类转录因子KAN4 (KANADI4)在红麻类黄酮合成和纤维发育中发挥着重要作用。本研究以红麻品种‘福红952’为材料,对HcKAN4基因进行克隆和表达模式分析,探讨TRV-VIGS诱导该基因沉默对类黄酮合成途径中关键酶基因表达量改变的影响。基因克隆显示, HcKAN4基因开放阅读框(open reading frame, ORF)全长为966 bp,编码322个氨基酸,包含一个MYB保守结构域。进化树分析发现,其与拟南芥和木槿KAN4s的亲缘关系较近。表达分析表明,该基因在红麻不同组织中均有表达,且转录水平随着植物生长而递增。VIGS诱导基因沉默显示, 6株HcKAN4的转录水平显著下调,达到基因沉默效果。进一步实时荧光定量PCR检测发现,类黄酮合成相关基因HcCHS、HcF3’5’H、HcANS、HcANR的转录水平显著下调,分别是对照组的0.51、0.14、0.23、0.11倍,表明HcKAN4基因可调控红麻类黄酮生物合成相关基因。这些结果为阐明红麻MYB转录因子调控类黄酮合成提供了依据,同时为改善纤维品质提供了研究思路。     

红粒小麦Tamyb10单倍型检测及其与穗发芽抗性的关系

穗发芽是影响小麦品质和产量的重要因素之一,通常红粒小麦比白粒小麦具有较高的穗发芽抗性。转录因子Tamyb10是R-1基因的强候选基因,其表达与否和表达水平决定小麦籽粒颜色。为阐明Tamyb10单倍型与红粒小麦穗发芽抗性的关系,利用已开发的Tamyb10基因分子标记,检测119份来自不同麦区的红粒小麦材料,发现Tamyb10基因(Tamyb10-A1、Tamyb10-B1和Tamyb10-D1位点)可分成7类单倍型,分别是baa、aba、bba、aab、bab、abb和bbb。Tamyb10-D1对穗发芽抗性影响最大,Tamyb10-B1次之,Tamyb10-A1作用最小。Tamyb10单倍型没有明显的地域分布特点,但在东北春麦区,Tamyb10单倍型bbb与红粒品种的高穗发芽抗性相关。     

水稻灌浆期籽粒中光信号相关基因鉴定与表达分析

光是影响水稻生长发育重要的环境因素,光作为信号物质调控水稻众多生长发育过程,但光信号在水稻籽粒灌浆中的作用研究较少。本研究利用高通量测序技术,对水稻灌浆期强、弱势粒中光信号途径相关基因进行了鉴定,从抽穗后10 d、15 d、21 d、27 d和35 d 5个灌浆时期,鉴定出了5个光受体基因,9个光信号途径调控因子基因,8个光信号途径其他基因共22个光信号相关基因。光受体基因包括光敏色素Os PHYB和Os PHYC,隐花色素基因Os CRY1b、Os CRY2和Os CRY-DASH。Os PHYB和Os PHYC在5个灌浆时期强、弱势粒中均表达;Os CRY-DASH在5个灌浆时期弱势粒中均表达,在强势粒中除21 d外其余4个时期均表达。调控因子基因Os PIL15、Os COP1、Os HY5、Os HFR、Os SPT、Os ELF3-1和Os ELF3-2在5个灌浆时期强、弱势粒中均表达。灌浆期基因表达动态分析表明,光信号途径基因在弱势粒中的表达量高于强势粒,光敏色素基因与调控因子基因之间在灌浆期协同表达。     

洋葱转录组测序及黄酮类化合物合成相关基因的分析

洋葱是世界范围内种植的重要蔬菜作物,其鳞茎颜色是洋葱选育和食用的重要性状。本研究对紫皮洋葱和黄皮洋葱进行高通量转录组测序,挖掘黄酮类化合物合成的基因,探讨不同皮色形成的分子基础。本研究共获得5 809个差异表达基因,包括2 991个上调表达基因,2 818个下调表达基因。差异基因GO功能富集分析显示,差异基因主要参与细胞组分、生物过程和分子功能3大类。KEGG显著富集分析显示,差异表达基因主要富集在3条代谢途径上。黄酮类化合物合成相关的通路有类黄酮合成途径、花青素合成途径、异黄酮合成途径、黄酮和黄酮醇合成途径,并筛选出了F3’H、FLS、CHI和DFR等黄酮类合成相关的结构基因。本研究为进一步探讨洋葱皮色相关的代谢合成途径关键酶的功能及其调控机制提供了基础。     

Pina~m-Pinb~m-Gsp~m串联三基因表达载体的构建及其在普通小麦中的转化

籽粒硬度是小麦品质改良的重要目标性状之一,主要由5D短臂上的Hardness(Ha)位点的两个主效基因,即Puroindoline a(Pina-D1)和Puroindoline b(Pinb-D1)控制,同时受基因Grain Softness Protein-1(Gsp-1)的影响。本研究以一粒小麦(T.monococcum)DV92作为Pinam、Pinbm和Gspm基因的供体,将三基因各自完整的表达盒串联连接到载体pGEM-TEasy上,构建Pinam-Pinbm-Gspm三基因串联的表达载体。利用基因枪介导的转化方法转化普通小麦科农199幼胚,共轰击5608个小麦幼胚愈伤,经Biolaphos(化学除草剂)筛选,获得933株再生植株,经PCR检测,鉴定出11株阳性植株,有关转基因小麦的籽粒硬度还需进一步实验验证;本实验实现了串联三基因在普通小麦中的遗传转化,为利用基因枪介导的遗传转化方法改善小麦籽粒硬度提供了可行性。     

查尔酮合成酶在植物抗病中的研究进展

查尔酮合成酶(chalcone synthetase, CHS)是植物体内类黄酮合成途径中的关键酶,为类黄酮的合成提供了基本骨架。类黄酮不仅在逆境的抵抗、抗病害和信号传导方面扮演重要角色,在临床上还具有防癌、抗氧化、抗疟疾和抗动脉硬化等功能。本研究围绕查尔酮合成酶的结构和定位、基因结构、翻译后调控和抗病机制等几个方面,对查尔酮合成酶在植物抗病中的研究进行综述,为进一步研究查尔酮合成酶的分子调控机制和分子抗病育种提供一定的参考。     

利用可视化标记建立Cre-loxP介导的抗生素删除载体系统并应用于玉米转基因研究

本研究通过Cre-loxP系统,构建了Kan基因的删除载体系统,利用花青素合成途径中转录因子的表达指示删除的效果。首先,利用两次PCR方法对pGreen载体进行改造,在卡那霉素抗性(Kan)基因的两侧加入两个同向的loxP位点,在多克隆位点前插入5-烯醇式丙酮酸莽草酸-3-磷酸(EPSP)合酶的表达框作为筛选标记基因,命名为pBAC823。在此载体基础上,构建了两个植物表达载体,组成一个抗生素可删除的载体系统。其一是在pBAC823载体Kan基因的一侧加入花青素合成途径中两个转录因子bi基因和cl基因的表达框,命名为pBAC9008。该载体可以作为基础植物表达载体,用于表达目的基因。其二是含Cre酶基因表达框的植物表达载体。将hsp70启动子驱动的cre基因的表达框插入pBAC823载体Kan基因的一侧,并将玉米花青素基因合成途径中转录因子bi和cl的表达框插入多克隆位点,命名为pBAC9009,此载体作为一个删除载体,单独转化植物,之后可以通过杂交方法删除目的基因表达载体中两个loxP位点之间的Kan基因片段。将上述载体转化玉米幼胚,得到T0代转基因玉米的种子,其中部分籽粒为紫色,分子检测结果表明紫色籽粒有花青素基因的插入,验证了花青素合成基因作为可视化标记的可靠性。本研究采用了可视化标记跟踪外源基因的表达和抗生素抗性基因的删除,不仅大大降低了外源基因的检测成本,为转基因食品安全提供技术保证,在转基因研究中具有重要的意义。     

基于转录组和代谢组解析香瓜茄果实类黄酮代谢差异

为了解香瓜茄果实主要类黄酮成分以及不同栽培种间类黄酮物质的代谢差异,以我国当前主栽的淡椭圆形果实(LOF)和甜圆形果实(SRF)2个香瓜茄栽培种类型为对象,对成熟果实进行转录组和代谢组联合分析。结果表明,香瓜茄果实中类黄酮组分共鉴定出9类二级代谢产物,41种三级代谢产物,黄酮醇含量最高。具有显著差异的代谢物有21种,主要分布在黄烷醇类、黄酮碳糖苷等6类二级代谢物质中。LOF的二氢黄酮、黄烷醇类、异黄酮的含量高于SRF,而黄酮醇等其他类黄酮化合物则在SRF中含量较高。RNA-seq分析共鉴定出与类黄酮代谢相关的基因503条,其中类黄酮合成通路上游的苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂醇脱氢酶(CAD)、黄烷酮-3-羟化酶(F3H)等关键基因表达在LOF中较SRF均上调,而黄酮醇合成酶基因(FLS)表达则在SRF中高于LOF。根据转录组的结果,4个类黄酮合成酶的表达趋势与RT-PCR的检测结果一致。研究结果表明,在不同香瓜茄资源LOF和SRF中存在大量的类黄酮化合物及其合成酶基因,但不同类黄酮成分及其合成代谢相关酶在不同资源含量均存在差异。     

华北紫丁香黄烷酮3-羟化酶基因克隆及表达分析

黄烷酮3-羟化酶(flavanone 3-hydroxylase,F3H)作为黄酮类化合物合成早期的一个关键酶,在花色素合成途径中起重要作用。本研究依托华北紫丁香花序转录组高通量测序数据,结合RACE技术克隆出SoF3H基因,并对SoF3H基因进行生物信息学分析,同时采用实时荧光定量PCR技术分析了该基因的组织表达模式。结果表明,SoF3H基因的c DNA序列全长为1 101 bp,编码366个氨基酸残基;该基因的g DNA序列无内含子;SoF3H基因的组织特异性表达分析表明该基因在花中表达量最大,且在花蕾期表达量最高。本研究将为深入研究华北紫丁香黄烷酮3-羟化酶(SoF3H)在花色素代谢途径中的表达特性提供参考依据。     

人工视觉网络在小麦籽粒分类中的应用

为了准确分类小麦籽粒为面包小麦或硬粒小麦,采用人工神经网络(ANN)基于计算机视觉的应用,依靠多层感知器(MLP)通过高分辨率摄像机,利用图像处理技术(IPT)获取了4维3色5纹理的主要视觉特征;再从12个主要特征中复制出21个视觉特征,将视觉特征的数据集作为ANN模型的输入参数建立了4种输入数据子集的ANN模型。将200粒籽粒中的180粒用于ANN模型训练,20粒用于精度测试。利用相关CfsSubsetEval算法对ANN模型进行简化,确定了对分类结果最有效的输入参数个数为7。采用简化的ANN模型对20粒样品进行检测可准确分离面包小麦和硬粒小麦的籽粒,平均绝对误差(MAE)为9.8×10~(-6)。本研究提出的基于计算机视觉的分类器可以成功对小麦籽粒进行自动分类。     

普通小麦粒色的变异及其与蛋白质含量的关系

我们以红、白2色区别普通小麦品种的籽粒颜色。具有一定粒色的品种在不同的生态条件下种植,即进行不同年度的分期播种,结果会在一定比例的播期中改变颜色。整体来看,红粒小麦品种的籽粒蛋白质含量较高。     

植物类黄酮次生代谢生物合成相关转录因子及其在基因工程中的应用

转录因子在类黄酮次生代谢生物合成中起着重要的作用,通过与结构基因的结合,转录因子可激活次生代谢合成途径中多个基因协同表达,从而有效启动次生代谢途径。转录因子可以激活不同植物中相似黄酮类次生代谢合成基因的表达,将从特定植物中分离出来的转录因子基因在不同植物中进行遗传转化,可以有效提高转基因植物中黄酮类物质的含量。因此,转录因子的应用是类黄酮次生代谢基因工程中的一个新方向,已显示出广泛的应用前景。本文主要介绍了类黄酮次生代谢途径相关的MYB和MYC两大类转录因子,以及利用这两类转录因子在类黄酮生物合成遗传改良中的研究进展。     

硬粒小麦赤霉素氧化酶基因GA2ox-A9的克隆及表达分析

赤霉素2-氧化酶(GA2-oxidase, GA2ox)是赤霉素降解途径的关键酶,在茎的伸长中起着重要的作用。为探讨GA2ox-A9基因与小麦矮化之间的关系,本研究从硬粒小麦ANW16G(携带Reduced height gene18,Rht18)和其株高近等基因系LD222两个材料中克隆得到GA2ox-A9基因,分别命名为GA2ox-A9-1和GA2oxA9-2,并对其在不同发育时期的各个茎节进行了表达模式分析。序列分析显示,两个材料的GA2ox-A9基因均含有3个外显子和2个内含子,开放阅读框全长1 044 bp,编码347个氨基酸,GA2ox-A9-1蛋白在第89位、275位、279位的氨基酸存在差异,GA2ox-A9-2蛋白在第182位、186位、251位、336位的氨基酸存在差异,编码的蛋白均具有2-酮戊二酸依赖性的双加氧酶典型的保守结构域。系统发育分析表明,硬粒小麦GA2ox-A9与其他物种具有较高的进化保守性,且与乌拉尔图最为接近。Real-time PCR结果显示,GA2ox-A9基因在矮秆小麦ANW16G中表达量最高,尤其是在拔节期茎中的表达量远远高于高秆对照LD222,表明与矮化性状有关。本研究结果为进一步研究GA2ox-A9基因的功能和小麦矮化的分子机制提供了理论依据。     

紫粒小麦高原115中R2R3-MYB转录因子TaMYB3-4A的克隆及功能分析

花青素在小麦生长发育中参与多种生理生化过程,关于花青素合成机理已被深入研究。本研究利用同源克隆从紫粒小麦高原115中克隆到Ta MYB3-4A基因。Ta MYB3-4A基因组为序列为853 bp,其完整开放阅读框序列为729 bp,含有一个124 bp的内含子;编码蛋白为242个氨基酸,具有典型的MYB结构域,属于R2R3-MYB蛋白。利用不同的MYB蛋白构建系统发育树,Ta MYB3-4A编码蛋白与调控花青素合成的MYB蛋白聚为一类。Ta MYB3-4A与b HLH基因共同瞬时表达能够诱导白色胚芽鞘中花青素的合成。不同组织特异性表达分析,Ta MYB3-4A基因在高原115胚芽鞘和种皮中表达量高,茎中次之,叶片和颖壳中表达量弱,但在根中并未检测到。研究表明Ta MYB3-4A基因编码蛋白为R2R3-MYB转录因子,调控小麦高原115不同组织中花青素生物合成。     

水稻圆粒基因RS的鉴定和定位

阐明水稻籽粒大小相关基因的遗传和分子机制对水稻产量形成具有重要意义。利用甲基磺酸乙酯(ethyl methanesulfonate, EMS)诱变粳稻品种"宁粳3号"筛选获得圆粒突变体round seed (rs)。遗传分析表明,突变体rs圆粒表型由单隐性核基因控制。颖壳扫描电镜观察发现,rs籽粒变圆主要是细胞数目改变导致的。在突变体rs中,细胞周期相关基因的表达较野生型显著升高。将RS定位在第3染色体短臂标记RM3413与N3-5之间,物理距离约589 kb。RS突变影响BR信号途径,改变了粒型相关基因的表达。本研究有助于阐明水稻籽粒发育的分子机制。     

1Dx5在新冬26小麦中的遗传转化及分析

为了对转1Dx5基因小麦的T1进行遗传分析,将优质高分子量麦谷蛋白亚基(HMW-GS)基因1Dx5转入新疆耐盐小麦品种新冬26,在蛋白质水平上经SDS-PAGE检测,有37粒小麦种子1Dx5基因表达。经过继代培育,得到37个T1转基因株系,SDS-PAGE分析T1转基因小麦籽粒的HMW-GS组成,结果表明:在蛋白质水平,HMW-GS的组成在T1小麦种子中有3种表型:表型Ⅰ,外源1Dx5基因没有表达;表型Ⅱ,外源1Dx5基因表达;表型Ⅲ,内源1Dx2基因没有表达。这3种表型出现的概率分别约为34.3%,45.9%和19.8%。该研究成功获得了新的HMW-GS组成的小麦,为选育优质小麦提供分子依据。     

过表达FtbZIP5提高苦荞毛状根黄酮积累及其耐盐性

bZIP转录因子不仅在植物盐胁迫网络中起着重要的作用,还可调节植物类黄酮的积累。在苦荞品种川荞1号中克隆了1个具有转录激活活性的bZIP家族基因FtbZIP5。FtbZIP5基因能被NaCl和脱落酸（ABA）诱导表达,在茎和叶中的表达高于根中。对过表达FtbZIP5基因毛状根的总黄酮含量进行检测,结果显示,总黄酮含量在过表达株系中显著高于野生株系。同时检测其类黄酮合成途径中关键酶基因的表达量,其中黄烷酮-3-羟化酶基因（F3H）的表达量较高。可推测该过表达毛状根株系中总黄酮的积累与F3H的表达有关。在NaCl（100mmol/L）胁迫下,各株系的总黄酮积累受到抑制,过表达株系的含量减少至0.63mg/g。并且,在这种压力下,F3H的表达水平仍然高于对照。植株在受到胁迫后,对照株系的过氧化氢酶（CAT）活性显著低于过表达株系。随着野生型植株受到胁迫的增强丙二醛（MDA）含量增加,但过表达株系的含量趋于稳定。以上结果表明,在过表达FtbZIP5毛状根中,总黄酮的积累可能是通过关键酶基因F3H的上调表达来调节的。并且FtbZIP5可提高苦荞毛状根耐盐性。通过解析FtbZIP5对苦荞毛状根中总黄酮积累及植株耐盐性的影响,为荞麦耐盐性和解析其耐盐机制研究奠定基础。